基于ArcGIS的地形特征提取

基于ArcGIS的地形特征提取

刘小庆

辽宁工程技术大学，辽宁阜新 (123000)

E-mail: Lxq_0805@

摘要：特征地形要素是构成地表地形与起伏变化的基本框架，ArcGIS具有一个能为三维可视化、三维分析以及表面生成提供高级分析功能的扩展模块3D analyst，基于ArcGIS进行地形特征提取可以更好地实现对地形地貌空间数据的可视化和分析处理。

关键词：ArcGIS；特征地形要素；山脊线；山谷线

1．引言

随着信息社会的到来，人类社会进入了信息大爆炸的时代。面对海量信息，人们对于信息的要求发生了巨大变化，对信息的广泛性、精确性、快速性及综合性要求越来越高。随着计算机技术的出现及其快速发展，对空间位置信息和其他属性类信息进行统一管理的地理信息系统也随之快速发展起来，在此基础上进行空间信息挖掘和知识发现是当前亟待解决的问题。

在常见的GIS系统中，美国ESRI公司的ArcGIS以其强大的分析能力得到用户的青睐，成为主流的GIS系统。ArcGIS9是美国环境系统研究所（Environment System Research Institute）开发的新一代GIS软件，是世界上最广泛的GIS软件之一。自从1978年以来，ESRI相继推出了多个版本系列的GIS软件，其产品不断更新扩展，构成适用各种用户和机型的系列产品。ArcGIS是ESRI在全面整合了GIS与数据库、软件工程、人工智能、网络技术及其他多方面的计算机主流技术之后，成功地推出了代表GIS最高技术水平的全系列GIS产品。ArcGIS是一个全面的，可伸缩的GIS平台，为用户构建一个完整的GIS系统提供完整的解决方案。ArcGIS9的软件特色主要为：

1）主图编辑的高度一体化；

2）便捷的元数据管理；

3）灵活的定制与开发；

4）ArcGIS9的新功能：增加了两个基于ArcObject的产品：面向开发的嵌入式ArcGIS Engine和面向企业用户居于服务器的ArcGIS Server。3D Analyst 是ArcGIS8的扩展

模块，主要提供空间数据的三维显示功能。在ArcGIS9中，该模块在3D Analyst的基

础上第一次推出全球3D可视化功能。该模块具有与ArcScene相似的地图交互工具，可以与任何在三维地球表面有地理坐标的空间数据进行叠加显示[1]。

2．背景和原理

特征地形要素，主要是指对地形在地表的空间分析与分布特征具有控制作用的点、线或面状要素。特征地形要素构成地表地形与起伏变化的基本框架。与地形指标的提取主要采用小范围的邻域分析不同的是，特征要素的提取更多地应用较为复杂的技术方法，如山谷线、山脊线、沟沿线等的提取采用了全局分析法（global process）（算法如图1）[2]，成为栅格数据地学分析中很有特色的数据处理内容。

数字高程模型（grid）

流向矩阵

流域边界

水系网络

子流域边界

图1 全局算法流程图

特征地形要素从表示的内容上可分为地形特征点和特征线两大类。地形特征点主要包括山顶点（peak）、凹陷点（pit）、脊点（ridge）、谷点（channel）、鞍点（pass）、平地点（plane）等。基于DEM提取地形特征点，可利用一个3×3或更大的栅格窗口，通过中心格网点与8格邻域格网点的高程关系来进行判断获取。

山脊线和山谷线构成了地形起伏变化的分界线（骨架线），因此它对于地形地貌研究具有重要的意义。另一方面，对于水文物理过程研究而言，由于山脊、山谷分别表示分水性与汇水性，山脊线和山谷线的提取实质上也是分水线与汇水线的提取。

已有的山脊线和山谷线提取算法从数据来源上可分为三类：基于规则格网数据的地形特征提取、基于等高线数据的地形特征提取和基于TIN的地形特征提取[3]。自动提取山脊线和山谷线的主要方法都是基于规则格网DEM数据的（Grid），从算法设计原理上来分，大致可以分为以下五种：

1)基于图像处理技术的方法

2)基于地形表面几何形态分析的方法

3)基于地形表面流水物理模拟分析方法

4)基于地形地表几何形态分析和流水物理模拟分析相结合的方法

5)平面曲率与坡形组合法

其中，平面曲率与坡形组合法提取的山脊、山谷的宽度可由选取平面曲率的大小来调节，方法简便，效果好。该方法基本处理过程为：首先利用DEM数据提取地面的平面曲率及地面的正负地形，取正地形上平面曲率的大值即为山脊，负地形上平面曲率的大值为山谷。实际应用中，由于平面曲率的提取比较繁琐，而坡向变率（SOA）在一定程度上可以很好地表征平面曲率。因此，下面的提取过程以（SOA）代替平面曲率。

3．过程及结果

下面以某区域栅格DEM数据为例，进行地形特征信息的提取（利用所给区域DEM数据，提取该区域山脊线、山谷线栅格数据层），图2是某区域分辨率为5米的DEM数据，下面关于地形指标的提取都是以这个数据为基础。

具体提取过程为：

1）点击DEM 数据，使用表面分析中的坡向（Aspect ）工具,提取DEM 的坡向数据层，命名为A 。

2）点击数据层A ，使用表面分析中的坡度（Slope ）工具，提取数据层A 的坡度数据，命名为SOA1。

3）求取原始DEM 数据层的最大高程值，记为H ；使用空间分析工具集中的栅格计算器（Raster Calculator ），公式为（H-DEM ），得到与原来地形相反的数据层，即反地形DEM 数据。

4）基于反地形DEM 数据求算坡向值。

5）利用SOA 方法求算反帝性的坡向变率，记为SOA2。

6）使用空间分析工具集中的栅格计算器（Raster Calculator ），公式为

2/]))2[]1([])2[]1(([SOA SOA Abs SOA SOA SOA −−+=

即可求出没有误差的DEM 的坡向变率SOA 。

7） 再次点击初始DEM 数据，使用空间分析工具集中的栅格邻域计算工具（Neighborhood Statistics ）；设置统计类型（Statistic type ）为平均值（Mean ），邻域的类型为矩形（也可以为圆），邻域的大小为11×11（这个值也可以根据自己的需要进行改变），则可以得到一个邻域为11×11的矩形的平均值数据层，记为B 。

图2 DEM

数据